超臨界壓力下RP-3單一組分替代模型研究

齊建偉（遼寧師范大學(xué)附屬中學(xué)，遼寧大連116000）

超臨界壓力下RP-3單一組分替代模型研究

齊建偉（遼寧師范大學(xué)附屬中學(xué)，遼寧大連116000）

本文采用SUPERTRAPP軟件對(duì)吸熱型碳?xì)淙剂蟁P-3的三種單一組分替代模型在超臨界壓力下不同工況的密度、黏度和定壓比熱容進(jìn)行計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果與RP-3的物性測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證不同單一組分替代模型對(duì)航空煤油RP-3在熱物性上的預(yù)測(cè)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同單一組分替代模型均能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出RP-3在擬臨界溫度下的物性變化，從不同物性的預(yù)測(cè)性能綜合評(píng)估認(rèn)為正癸烷在對(duì)RP-3的物性預(yù)測(cè)上表現(xiàn)最優(yōu)，滿足工程的要求。

超臨界；RP-3；替代模型

1　引言

隨著近幾年來(lái)高超聲速飛行器的興起，采用吸熱性碳?xì)淙剂献鳛槔湓催M(jìn)行吸熱的再生冷卻技術(shù)逐漸在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到重視。吸熱性碳?xì)淙剂鲜且环N密度大、熱值高、綜合熱沉降性高及安全性能高的液體燃料，但因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)成分的復(fù)雜，很難對(duì)航空燃料本身進(jìn)行探索與深入研究。因此，尋找航空燃料的替代組分可以間接替代航空燃料，并排除其中對(duì)研究進(jìn)行干擾或難以研究的組成成分。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)替代模型進(jìn)行了不少研究[1]。有些研究者對(duì)航空煤油Jet-A進(jìn)行研究：Huber等人綜合考慮密度、聲音、黏度、熱導(dǎo)率和蒸餾曲線等相關(guān)因素提出了Jet-A-4658的8組分、Jet-A-3638的七組分替代模型；Bruno[2]等人針對(duì)Jet-A，將少于3組分的簡(jiǎn)單替代模型進(jìn)行了分類對(duì)比研究。

可以看出以上替代模型提出的出發(fā)點(diǎn)與優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)大多不同，研究者多是針對(duì)所研究的具體問(wèn)題提出的對(duì)應(yīng)模型，相互之間可參考性較小，存在一定局限性：多組分替代模型組分復(fù)雜，在實(shí)際工程計(jì)算中，耗費(fèi)的計(jì)算資源較多。在目前航空航天領(lǐng)域的工程計(jì)算中，有必要尋找一種最佳單一組分替代模型，以保證在較好的替代效果同時(shí)加快計(jì)算速度。

本文采用國(guó)際上公認(rèn)的物性計(jì)算軟件SUPERTRAPP，以國(guó)產(chǎn)航空煤油RP-3為研究對(duì)象，對(duì)三種單一組分替代模型的密度、黏度和比熱容三種熱物性進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合RP-3的實(shí)驗(yàn)物性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估各替代模型的預(yù)測(cè)性能并對(duì)其熱物性開(kāi)展相關(guān)分析，為再生冷卻技術(shù)優(yōu)化計(jì)算打下物性模型理論基礎(chǔ)。

2　物性計(jì)算方法及替代模型

本研究是基于SUPERTRAPP軟件，對(duì)RP-3的熱物性替代燃料模型進(jìn)行研究，SUPPERTRAPP可用于預(yù)測(cè)純?nèi)剂匣蚧旌先剂系膭?dòng)力學(xué)特性和傳輸性質(zhì)，采用廣義對(duì)應(yīng)態(tài)法則計(jì)算燃料組分的熱力學(xué)特性和輸運(yùn)特性，包括密度，黏度，比熱容等。

航空煤油RP-3是多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮渚唧w的成分較為復(fù)雜，由表1可得RP-3主要可分為飽和烴，不飽和烴和芳香族化合物三種。有學(xué)者采用單一組分正癸烷作為RP-3的替代模型，因此本文把正癸烷作為研究對(duì)象之一。另外，一般認(rèn)為航空煤油包含的平均碳原子個(gè)數(shù)為 10～16個(gè)，且WangTS[3]采用C12H24來(lái)代表RP-1煤油作為替代模型，故本文選擇與正癸烷類似分子式的單一物質(zhì)正十一烷和正十二烷作為研究對(duì)象，表2將本文的研究對(duì)象進(jìn)行匯總?cè)缦滤?，下文分析時(shí)以分子簡(jiǎn)式代表單組分模型。

3　替代燃料模型熱物性計(jì)算分析

3.1密度

表1　RP-3成分組成分析

表2　單組分替代模型匯總

采用計(jì)算方法得到了航空煤油替代模型在不同壓力下密度隨溫度的變化關(guān)系，從計(jì)算結(jié)果中看出不同的替代模型均可以表現(xiàn)RP-3密度隨溫度的變化，并且也都可以呈現(xiàn)出國(guó)產(chǎn)航空煤油RP-3密度在擬臨界溫度點(diǎn)出的陡降變化。

三種替代模型在低溫區(qū)對(duì)密度的預(yù)測(cè)表現(xiàn)的一致，而不同點(diǎn)卻在于擬臨界溫度點(diǎn)的位置。P=3MPa時(shí)，C10、C11均能較好地預(yù)測(cè)出擬臨界溫度的特性。C12的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，過(guò)晚預(yù)測(cè)了擬臨界溫度的位置。不同替代模型在擬臨界溫度以上的高溫區(qū)估測(cè)均有偏差，替代模型均高估了高溫區(qū)的密度變化，且都隨著壓力的增大而變大。當(dāng)P=4MPa、5MPa、6MPa下的變化與P=3MPa時(shí)類似。對(duì)比各個(gè)壓力下的曲線，可以認(rèn)為C11在預(yù)測(cè)密度上與航空燃料最為接近，表現(xiàn)最優(yōu)，而C10與RP-3密度預(yù)測(cè)水平相差同樣較小。

3.2黏度

采用計(jì)算方法得到了航空煤油替代模型在不同壓力下黏度隨溫度的變化關(guān)系，從計(jì)算結(jié)果中看出，隨著壓力的增加，不同替代模型對(duì)于擬臨界溫度的預(yù)測(cè)能力均逐漸加強(qiáng)，對(duì)于低溫區(qū)的預(yù)測(cè)略有升高，但變化不明顯。在P=3MPa時(shí)，C11、C12對(duì)于擬臨界點(diǎn)的位置預(yù)測(cè)較晚，而C10則與真實(shí)值相差不大。這可以用平均分子量來(lái)解釋，C11、C12替代模型的分子量均大于C10替代模型的平均分子量，使得兩類模型對(duì)RP-3的擬臨界點(diǎn)位置的預(yù)測(cè)方向產(chǎn)生相反的結(jié)果。同樣在低溫區(qū)，C11、C12的黏度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，而C10與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較小。對(duì)不同航空煤油替代模型對(duì)黏度的預(yù)測(cè)均滿足工程的需要，但綜合對(duì)比，由C10構(gòu)成的單一組分替代模型對(duì)黏度的預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確。

3.3最優(yōu)單一組分替代模型

綜合三種替代模型的密度、黏度及定壓比熱容的預(yù)測(cè)性能，C11的密度預(yù)測(cè)能力比C10、C12準(zhǔn)確，但不同替代模型對(duì)密度的預(yù)測(cè)能力差別較??；C10的黏度預(yù)測(cè)能力比C11、C12更準(zhǔn)確；C10對(duì)比C11、C12在定壓比熱容方面預(yù)測(cè)更為精確。綜合以上評(píng)估，認(rèn)為C10對(duì)航空煤油RP-3的熱物性預(yù)測(cè)最準(zhǔn)，能滿足工程需要。

4　結(jié)論

本文采用SUPERTRAPP對(duì)國(guó)產(chǎn)航空煤油RP-3的三種單組分替代模型進(jìn)行熱物性計(jì)算，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)物性數(shù)據(jù)評(píng)估不同單一組分替代模型的預(yù)測(cè)性能。其中得到的結(jié)論如下所示：

（1）采用SUPERTRAPP軟件計(jì)算三種替代模型均能預(yù)測(cè)出熱物性如密度、黏度和比熱容的變化趨勢(shì)。

（2）不同替代模型對(duì)航空煤油RP-3的定壓比熱容峰值預(yù)測(cè)、密度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性有待加強(qiáng)，相對(duì)而言對(duì)粘度的預(yù)測(cè)更為精確。

（3）相比于C11、C12的單組分替代模型，C10模型在預(yù)測(cè)黏度上表現(xiàn)最優(yōu)；C10替代模型結(jié)合廣義對(duì)應(yīng)態(tài)法則可較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)RP-3的物性變化，滿足工程要求。

[1]鄭 東，于維銘，鐘北京.RP-3航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2015（4）：636～642.

[2]Bruno T J,Smith B L.Evaluation of the physicochemical authenticity of aviation kerosene surrogate mixtures:Part 1 analysis of volatility with the advanced distillation.curve[J].Energy&Fuels,2010,24（8）:4266-4276.

[3]Wang T S.Thermophysics characterization of kerosene combustion [R].AIAA Paper 2000～2511,2000.

V312

A

2095-2066（2016）31-0248-02

2016-10-3

齊建偉（1999-），男，漢族，遼寧大連人，高中在讀，研究方向是能源動(dòng)力。